基于COSMOS的湿式永磁磁选机结构优化设计

基于COSMOS的湿式永磁磁选机结构优化设计
杜强
【摘要】为改变选煤厂磁选机的结构中磁盘、主轴故障等问题,对湿式磁选机磁盘、机架、传动件、给矿箱结构进行了优化,并运用COSMOS有限元对重要的构件磁盘、主轴进行了改进设计.改进优化后的湿式磁选机磁盘磁场强度得到提高、物料
分布变得均匀、磁盘使用寿命得以延长,满足选煤厂的生产需求,提高了经济效益.【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2019(034)005
【总页数】3页(P19-20,45)
【关键词】湿式永磁磁选机;有限元分析;结构优化;磁盘
【作者】杜强
【作者单位】阳煤集团一矿选煤厂, 山西阳泉045000
【正文语种】中文
【中图分类】TD265
引言
目前，我国大部分选煤厂使用的磁选机性能无法满足其生产的需求，永磁材料的磁性较低，提供场强最高值是1.7 T[1] 。

其中，很多磁选机使用的感应齿极形状比
较单一，主要是槽形、球形、栅条形等。

其使用的材料是纯碳钢，有部分磁选机会使用纯铁。

并且会在钢铁的表面会进行渗铬、镀铬等材料，从而避免齿极生锈，但
效果并不理想。

在磁选机的日常冲洗中，由于结构等原因，经常在卸载、清洗出现问题，这也是卡普科磁选机的不足。

如果卸矿不干净，磁选机分选时杂物就会越存越多，导致空间结构堵塞。

根据选煤厂使用反馈，造成这些缺陷的原因主要是磁盘、主轴等结构不合理引起的[2] 。

在论文的研究中，将使用COSMOS有限元软件，
对磁选机的磁盘、主轴主要部件进行优化。

1 湿式磁选机的结构选型设计
湿式永磁盘式强磁选机，设计比较简单，主要由箱体结构、机架、磁盘和传动部件等主要部件组成。

1.1 磁盘
磁盘主要有磁系、主轴、盘支架等组成。

其中磁系的设计结构为闭合式，其中主齿极和副齿极之间依次交替而成。

其中，齿极的材料均为稀土永磁材料，其N、S两级依次交替，相互对称排列，从而加强磁场的深度。

主齿极和副齿极之间的间隙选择作业气隙。

通过这种方式，其磁场强度超过了2 T。

而磁扼的材料选择为
Q235A，在其与主轴之间将使用无极板实现连接功能，通过这种方式可以避免轴
承受到磁场的作用，从而确保轴承的正常工作，提高其工作寿命。

在磁盘表面将使用Al2O3作为表面材料，其使用寿命可以达到不锈钢材料的4倍左右。

同普通的磁选机相比，选磁面积约提高了10%。

通过这种方式，可以提高工作效率和工作
品质。

1.2 支架
选磁机支架主要起到支撑作用，其是通过焊接型材制成的。

在支架的表面需要设计形位公差，其中平行槽板之间的平行度为±0.01 mm。

该平行差可以保证磁盘的正常工作。

同时在动轴承要求的安装尺寸匹配度中的粗糙度应被控制在1.5 μm以下，轴的中心与轴承的中心要求的同直径度误差必须小于0.01 mm。

可以通过预留公
差等方式，来保证磁盘的正常运转，同时避免机架和其发生摩擦、碰撞等。

既可以
保证磁盘的正常工作，也可以提高设备的使用寿命，提高其稳定性。

1.3 传动机构
磁选机传动机构的构成主要有三个部分，分别是减速机、电机和主轴等。

其中电机负责提供动力，从而使减速器进行工作，向主轴传动动力，使其旋转。

然后将动力传递给磁盘，磁盘通过磁性把一些矿物分选出来。

其中磁盘转动惯量可由下式求出：
式中：J为转动惯量量，kg·m2；m为单盘质量，取200 kg；r为磁盘半径，取0.5 m。

将数值代入公式（1）求得磁盘的转动惯量为25 kg·m2。

查阅相关资料，湿式永磁磁选机传动部的齿轮减速器选择JZQ350-Ⅱ-2Z型，电
机选择Y123M1-6型。

1.4 给矿箱
对于给矿箱而言，其组成部分分别是分料装置和冲水管两个部分。

其中，可以冲水管的主要作用是将物料冲散，而分料装置是将物料进行区分，从而确保物料在进入到槽体中时，是均匀分布的[3] 。

给矿箱机构中的冲水管如下页图1所示。

图1 给矿箱结构中的冲水管
2 基于COSMOS的磁选机结构优化分析
2.1 磁盘优化分析
此次对优化设计选择的磁盘结构为盘式，使用的材料是优质铁氧体。

在设计中，使用了移动磁场的技术，从而提高了磁系结构的复杂程度，产生的磁场强度超过了2 T。

此时，磁场的齿极使用半圆角，并且进行结构化处理。

在整个设备中使用12
个磁盘[4] 。

在受到磁场力以后，磁盘有形状的变化，向前凹陷，最终形状类似于锅。

在进行COSMOS分析后，可以发现在受到磁场力的作用，磁盘会发生偏移，从而远离其
初始时所处的位置。

其中，边缘的偏移量最大，可以达到5.359×10-5m。

在优化设计中，将刮矿器的厚度设定为6 mm。

表面粘贴材料选择橡胶。

在矿山工作中，该优化设计的有效变形可以满足要求。

如果得到的安全数值过小，则意味着该部分比较薄弱，容易断裂。

如果得到的数值过大，则说明该部分的安全性较高，可以节俭材料[5] 。

根据COSMOS的分析结果，可以判定每个部件的安全系数。

在有限元分析下，磁盘的安全系数为15～95，安全系数已经远大于1，说明优化的磁盘合理，磁场满足要求。

2.2 主轴优化分析
对于选磁机的主轴而言，其右侧往往同设备的电机、联轴器等部件相连，连接方式是键连接。

轴承的左端主要是支撑作用。

其中间部门会受到设备的主要载荷力。

每个磁盘的质量约为200 kg，整个选磁机一共有10个磁盘，整体的质量为2 t。

通过计算，可以发现设备运行需要的输入扭矩超过了700 N·m。

其中，扭矩的施加
面主要集中在轴承的右侧。

主轴结构三维图详见图2所示。

图2 永磁机主轴结构三维图
在优化分析中，利用COSMOS对选磁机的主轴进行应力分析，对其位移进行合并，从而形成应变云图。

通过分析可以发现，键槽处是应力比较集中的部位，危险性最高。

在主轴上从右到左，应力逐渐减少。

这和材料力学的理论相符合。

根据安全系数云图，可以发现最低的安全系数是7，远远高于1，这说明优化设计符合工作需求。

3 优化后的效果
3.1 提高磁盘的磁场强度
不同磁盘的磁系排列不同。

其中，此次设计使用的齿极材料具有较高的导磁性，比如稀土钦铁硼弧形块。

主齿极和底板一起在齿极上通过黏结的方式进行固定。

其中，二者沿着N极和S极依次排列，这样可以减少漏磁量。

其中，副齿极在圆周方向
上使用钦铁硼来提高其磁场。

在侧面上，磁盘可以选择不锈钢板来隔绝磁性，可以减少二者之间的间隙，从而减少空气间隙导致的磁阻。

通过这种方式，可以提高齿极的磁性，根据计算知其磁场强度超过了2 T。

3.2 物料分布均匀
在输送机输送过程中，需要先在箱体中添加冲水管和分料的装置。

把所要分选的物料分散开来，冲水管在辅助作用下，可以进一步把物料分布均匀，在物料进入矿箱之前就是均匀分布的，从而提高磁选机的工作效果。

3.3 延长磁盘使用寿命
槽体表面由于其入选的颗粒比较粗糙，往往会产生很严重的冲刷。

在磁盘表面上，可以利用磁性，从而使矿粒在磁性的作用下发生翻转，但是此时会产生很大的摩擦力。

所以，为了减少了磨损，可以使用陶瓷材料进行黏结。

在优化设计中，选择的陶瓷材料是Al2O3，通过这种方式，可以延长磁盘的使用寿命，并且可以方便维修。

此次研究针对磁盘应力和位移进行了分析，并得到了等值线云图。

通过分析可以得知，磁盘在外边缘处有着很大的变形，尤其是在内孔区域处，形成了应力集中。

在进行优化设计时，可以通过添加倒角的方式，从而避免应力集中。

此时，磁场强度达到了2 T，根据计算可以得知安全系数的最低值为6，大于1，符合安全要求。

4 结论
目前选煤厂磁选机的结构无法有效满足日益增长的需求，尤其是磁选机的磁盘、主轴等问题，严重制约了选煤厂的生产。

改进优化后的湿式磁选机磁盘磁场强度提高、物料分布均匀、磁盘使用寿命延长，满足了选煤厂的生产需求。

参考文献
【相关文献】
[1] 夏红峰.国内磁选设备的研究现状及发展趋势[J] .金属矿山，2010（9）：111-114.
[2] 张裕发.DPMS湿式永磁磁选机在福建省连城锰矿的应用[J] .中国锰业，2008，26（3）：42-43.
[3] 宋斌燕.周清雷对型永磁筒式磁选机冲散水管的改进[J] .矿山机械，2008，36（23）：116.
[4] 郭天纲，潘德强，郑广智.浅析磁选机磁路结构设计及磁场特性[J] .矿山机械，2010，38（16）：76-77.
[5] 张倩，胡仁喜，康士廷.电磁学有限元分析从入门到精髓[M] .北京：机械工业出版社，2010.。